JP2018500491A

JP2018500491A - 軸方向先端冷却回路を備えたタービンブレード

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Publication number: JP2018500491A
Application number: JP2017525580A
Authority: JP
Inventors: リーチン−パン; ワイ．アムジェ; エル．ヒリアージェラルド; シュロウダーエリック; ジョンソンエリック; ミュラーダスティン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2034-11-11
Also published as: JP6434145B2; CN107109949A; EP3218582A1; WO2016076834A1; US20180298763A1

Abstract

本開示は、前縁冷却回路（３０）と、後縁冷却回路（３４）と、第１の通路（３２ａ）及び中間通路（３２ｂ）及び最終通路（３２ｃ）を含む中間区分冷却回路（３２）と、軸方向先端冷却回路（５６）と、を有するタービンブレード（１２）を提供する。前縁冷却回路（３２）、中間区分冷却回路（３２）、後縁冷却回路（３４）はそれぞれ、冷却空気供給部から冷却空気流（ＣＦ）を受け取る。前縁冷却回路（３０）と中間区分冷却回路（３２）はそれぞれ半径方向外側端部でさらに、少なくとも１つの出口（６２，６４）を有しており、出口は軸方向先端冷却回路（５６）に流体連通しており、これにより、前縁冷却回路（３０）から出る実質的に全ての前縁冷却空気流（ＬＥＦ）と、中間区分冷却回路（３２）から出る実質的に全ての中間区分冷却空気流（ＭＳＦ）とが、軸方向先端冷却回路（５６）へと方向付けられる。

Description

本発明は、一般にガスタービンブレードに関し、より詳細にはタービンブレードのブレード先端区分の冷却に関する。

ガスタービンエンジンのようなターボ機械では、圧縮機セクションから排出される圧縮空気が燃料と混合され、燃焼セクションで燃焼されて、高温燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、タービンセクション内の高温ガス路を通って方向付けられ、そこで、ガスは、通常、一列の固定ベーンと、それに続く一列の回転タービンブレードとを含む一連のタービン段を通って移動する。タービンブレードは、高温燃焼ガスからエネルギを抽出し、タービンロータを回転させて、圧縮機に動力を供給しかつ出力を提供する。

１つの形式のタービンブレードは、燃焼ガスのための半径方向内側の流路を画定するブレードプラットフォームにおける根元部から、半径方向外側のキャップ又はブレード先端区分まで延在する翼を有しており、この翼は、翼の前縁から後縁まで軸方向に延在する対向する正圧面と負圧面とを有している。タービンブレードは、高温燃焼ガスに直接さらされるので、通常、タービンブレードには内部冷却回路が設けられており、この内部冷却回路は、圧縮機抽気のようなクーラントを、ブレードの翼、翼の表面のまわりに設けられた様々なフィルム冷却孔を通して流通させる。特に、タービンブレードの前縁及び先端の冷却は、フィルム冷却により広く達成されている。しかしながら、原油やその他の重油を燃焼させるエンジンのような用途では、これらのフィルム冷却孔が詰まって、過熱してタービンブレードに損傷を与える可能性がある。

本発明の１つの態様によれば、本開示は、前縁と、後縁と、正圧面壁と、負圧面壁とを画定する外壁と、先端を有する半径方向外側端部と、根元部に連結された半径方向内側端部とを有しており、前縁は、前縁を貫通して延在するフィルム冷却孔を有していない、タービンブレードを提供する。タービンブレードはさらに、外壁と共に、前縁冷却回路を画定する構造体を有しており、前縁冷却回路は、前縁に隣接しており、根元部から先端に向かって半径方向で延在している。前縁冷却回路は、少なくとも１つの前縁冷却通路を有している。このタービンブレードはさらに、外壁と共に、後縁冷却回路を画定する構造体を有しており、後縁冷却回路は、後縁に隣接し、根元部から先端に向かって半径方向で延在しており、かつ、このタービンブレードは、外壁と共に中間区分冷却回路を画定する構造体を有しており、中間区分冷却回路は、前縁冷却回路と後縁冷却回路との間に位置し、前進流蛇行状冷却回路を画定している。前進流蛇行状冷却回路は、第１の通路と、中間通路と、最終通路とを含んでいて、かつ中間区分冷却回路は、半径方向で根元部から先端に向かって延在している。タービンブレードの外壁はさらに、軸方向先端冷却回路を画定しており、軸方向先端冷却回路は、先端に隣接し、翼弦方向でほぼ連続的に延在しており、翼弦方向は、前縁から後縁へと延在している。前縁冷却回路、中間区分冷却回路、後縁冷却回路はそれぞれ、根元部における冷却空気供給部から冷却空気流を受け取る。前縁冷却回路と中間区分冷却回路はそれぞれ半径方向外側部分でさらに、少なくとも１つの出口を有しており、出口は軸方向先端冷却回路に流体連通しており、これにより、前縁冷却回路から出る実質的に全ての前縁冷却空気流と、中間区分冷却回路から出る実質的に全ての中間区分冷却空気流とが、軸方向先端冷却回路へと方向付けられる。

いくつかの態様によれば、前縁冷却回路と中間区分冷却回路とは、軸方向先端冷却回路の前方端に連通しており、これにより、前縁冷却回路から出る前縁冷却空気流と、中間区分冷却回路から出る中間区分冷却空気流とは、軸方向先端冷却回路内において軸方向先端冷却回路の翼弦長さの少なくとも一部にわたって軸方向で実質的に平行である。別の態様によれば、前進流蛇行状冷却回路の中間通路及び最終通路のうちの少なくとも１つは、軸方向先端冷却回路に流体連通している。本発明の別の態様によれば、前縁冷却回路を画定する構造体は第１の壁と第２の壁とを含み、第１の壁と第２の壁とは外壁と共に、主前縁冷却通路とインピンジメント通路とを画定しており、第２の壁は、半径方向で互いに間を空けて位置する複数のインピンジメント冷却孔を有しており、これにより、前縁冷却通路とインピンジメント通路とが流体連通される。本発明の別の態様によれば、先端は複数の先端冷却孔を有しており、外壁はさらに、先端から半径方向外側に向かって延在するスクィーラ先端レールを有しており、スクィーラ先端レールは複数のスクィーラ先端孔を画定している。

本発明の別の態様によれば、本開示は、前縁と、後縁と、正圧面壁と、負圧面壁とを画定する外壁と、先端を有する半径方向外側端部と、根元部に連結された半径方向内側端部とを有しており、前縁は、前縁を貫通して延在するフィルム冷却孔を有していない、タービンブレードを提供する。タービンブレードの外壁は、軸方向先端冷却回路を画定しており、軸方向先端冷却回路は、先端に隣接し、翼弦方向で連続的に延在しており、翼弦方向は、前縁から後縁へと延在している。タービンブレードはさらに、外壁と共に、前縁冷却空気流を供給するための前縁冷却回路を画定する構造体を有しており、前縁冷却回路は、前縁に隣接し、根元部から先端に向かって半径方向で延在している。前縁冷却回路はさらに第１の出口を有しており、出口は軸方向先端冷却回路に流体連通しており、これにより、前縁冷却回路から出る実質的に全ての前縁冷却空気流は、軸方向先端冷却回路へと方向付けられる。このタービンブレードはさらに、外壁と共に、後縁冷却回路を画定する構造体を有しており、後縁冷却回路は、後縁に隣接し、根元部から先端に向かって半径方向で延在している。タービンブレードはさらに、外壁と共に、中間区分冷却空気流を供給するための中間区分冷却回路を画定する構造体を有しており、中間区分冷却回路は、前縁冷却回路と後縁冷却回路との間に位置している。中間区分冷却回路は第２の出口を有しており、出口は軸方向先端冷却回路に流体連通しており、これにより、中間区分冷却回路から出る実質的に全ての中間区分冷却空気流が、軸方向先端冷却回路へと方向付けられる。このタービンはさらに、中間区分冷却回路と前縁冷却回路とにほぼ隣接する隔壁を有している。隔壁は、翼弦方向で延在し、隔壁下方面が、中間区分冷却回路から出る中間区分冷却空気流に対して実質的に横方向であるように配置されている。

いくつかの態様によれば、隔壁は、前縁冷却回路から出る前縁冷却空気流と、中間区分冷却回路から出る中間区分冷却空気流とが、軸方向先端冷却回路内において軸方向先端冷却回路の翼弦長さの少なくとも一部にわたって軸方向で実質的に平行であるように配置されている。特定の態様によれば、前縁冷却空気流と中間区分冷却空気流とは、軸方向先端冷却回路の翼弦長さの約４０％にわたって実質的に平行である。

別の態様によれば、中間区分冷却回路はさらに、第１の通路と、中間通路と、最終通路とを有しており、最終通路は、軸方向先端冷却回路に流体連通する第２の出口を有している。特定の態様によれば、中間区分冷却回路はさらに、軸方向先端冷却回路に流体連通する少なくとも１つの付加的な出口を有している。

別の態様によれば、先端は複数の先端冷却孔を有しており、外壁はさらに、先端から半径方向外側に向かって延在するスクィーラ先端レールを有しており、スクィーラ先端レールは複数のスクィーラ先端孔を画定している。

本発明の別の態様によれば、本開示は、ガスタービンエンジンで使用されるタービンブレードを冷却する方法を提供する。このタービンブレードは、前縁と、複数の後縁出口通路を備えた後縁と、正圧面壁と、負圧面壁とを画定する外壁と、先端を有する半径方向外側端部と、根元部に連結された半径方向内側端部とを有しており、前縁は、前縁を貫通するフィルム冷却孔を有していない。１つの態様によれば、この方法は、根元部を介してタービンブレードに冷却空気流を供給するステップと、タービンブレードの前縁を冷却するために、冷却空気流の一部に前縁冷却回路を通過させるステップと、冷却空気流の一部にタービンブレードの前縁と後縁との間の中間区分冷却回路を通過させるステップと、後縁を冷却し、外壁における複数の後縁出口通路からタービンブレードを出るために、冷却空気流の一部に後縁冷却回路を通過させるステップと、前縁冷却回路を出る実質的に全ての前縁冷却空気流と、中間区分冷却回路を出る実質的に全ての中間区分冷却空気流とを軸方向先端冷却回路へと方向付けて、軸方向先端冷却空気流を発生させるステップと、先端に冷却を提供するために、軸方向先端冷却空気流に翼弦方向で軸方向先端冷却回路内を軸方向で通過させるステップと、を含む。軸方向先端冷却回路は、先端に隣接し、翼弦方向で連続的に延在しており、翼弦方向は、前縁から後縁へと延在している。

方法のいくつかの態様によれば、タービンブレードはさらに、中間区分冷却回路と前縁冷却回路とにほぼ隣接する隔壁を有している。この隔壁は翼弦方向に延在しており、隔壁は、隔壁下方面が、中間区分冷却回路から出る中間区分冷却空気流に対して実質的に横方向であるように配置されている。特定の態様では、この方法は、前縁冷却空気流と中間区分冷却空気流とを、軸方向先端冷却回路内において方向付けるステップをさらに含み、これにより、前縁冷却空気流と中間区分冷却空気流とは、軸方向先端冷却回路の翼弦長さの少なくとも一部にわたって、軸方向先端冷却回路内内で軸方向で実質的に平行となる。

方法の別の態様によれば、前縁冷却回路はさらに、主前縁冷却通路とインピンジメント通路とを画定する壁を有している。壁は、半径方向で互いに間を空けて位置する複数のインピンジメント冷却孔を有しており、これにより、前縁冷却通路とインピンジメント通路とは流体連通されている。特定の態様では、冷却空気流の一部に前縁冷却回路を通過させるステップは、前縁のインピンジメント冷却作用を提供するために、冷却空気流の一部に、半径方向で互いに間を空けて位置する複数のインピンジメント冷却孔を流過させるステップをさらに含む。

方法のさらなる態様によれば、先端は複数の先端冷却孔を有しており、外壁はさらに、先端から半径方向外側に向かって延在するスクィーラ先端レールを有しており、スクィーラ先端レールは複数のスクィーラ先端孔を画定している。特定の態様では、この方法は、先端及びスクィーラ先端レールの対流冷却作用を提供するために、軸方向先端冷却空気流の一部に、複数の先端冷却孔とスクィーラ先端孔とを流過させるステップをさらに含む。

本明細書は、本発明を特に指摘しかつ本発明を明瞭に請求する請求項によって完結するが、本発明は、同じ参照符号が同じ要素を表している添付の図面に関連した以下の説明からよりよく理解されると考えられる。

本発明の態様を示すタービンブレードの斜視図である。図１のタービンブレードの２−２線に沿った断面図である。図２のタービンブレードの翼弦中央線３−３に沿った断面図である。図３の半径方向外側のブレード先端の拡大図である。

好適な実施の形態の以下の詳細な説明では、その一部を形成する添付の図面が参照され、図面には、例として、限定としてではなく、本発明を実施することができる特定の好適な実施形態が示されている。本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、その他の実施形態が使用されてもよく、変更がなされてもよいことが理解されるべきである。

図１を参照すると、本発明の１つの態様において、翼アッセンブリ１０が図示されている。本明細書で開示される冷却の概念は、固定ベーンと組み合わせて使用することができると理解されるが、翼アッセンブリ１０は、翼、即ち回転可能なタービンブレード１２を含むブレードアッセンブリであってよい。翼アッセンブリ１０はガスタービンエンジンで使用するためのものである。当業者には公知であるように、ガスタービンエンジンは、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、タービンセクションとを有する（図示せず）。圧縮機セクションは圧縮機を含み、圧縮機は周囲の空気を圧縮し、少なくともその一部を燃焼器セクションへと搬送する。燃焼器セクションは１つ以上の燃焼器を含み、この燃焼器は、圧縮機セクションからの圧縮空気を燃料と混合し、混合物に点火して、このとき高温の作動ガスを形成する燃焼生成物が生じる。高温の作動ガスは、タービンセクションへと移動し、タービンセクションで作動ガスは１つ以上のタービン段を通過する。各タービン段は、１列の固定ベーンと、１列のタービンブレード１２のような回転ブレードとを有している。

図１及び図２に示すように、タービンブレード１２は、タービンロータ（図示せず）に連結された根元部１４と、根元部１４に固定されたプラットフォームアッセンブリ１５とを有している。ブレード１２は、プラットフォームアッセンブリ１５に固定され、プラットフォームアッセンブリ１５から半径方向外側に向かって延在している。ブレード１２は、ほぼ凹面状の正圧面壁１８と、ほぼ凸面状の負圧面壁２０と、前縁２２と、後縁２４とを有している。前縁２２は、（図２に３−３線で示す）翼弦方向で、後縁２４から間を空けて位置している。正圧面壁１８及び負圧面壁２０は、翼幅方向又は半径方向Ｒ_Ｄで、プラットフォームアッセンブリ１５から半径方向外側ブレード先端２６まで半径方向外側に向かって延在しており、翼弦方向で前縁２２と後縁２４との間に延在している。

図２及び図３を参照すると、外壁１６によりブレード１２内にキャビティが画定されており、複数の翼幅方向構造体２８は、外壁１６と共に、プラットフォームアッセンブリ１５から半径方向外側ブレード先端２６まで半径方向に延在し、前縁２２と後縁２４との間に翼弦方向で延在する複数の冷却回路を画定している。特にこの冷却回路は、前縁冷却回路３０と、中間区分冷却回路３２と、後縁冷却回路３４と、軸方向先端冷却回路５６とを有している。

前縁冷却回路３０は、前縁２２に隣接して延在しており、部分的に外壁１６と、図示した実施形態では実質的に中実の第１の壁を有する第１の翼幅方向構造体２８ａとによって画定されており、正圧面壁１８と負圧面壁２０との間、かつ前縁２２と第１の翼幅方向構造体２８ａとの間に位置している。前縁冷却回路３０は、プラットフォームアッセンブリ１５から軸方向先端冷却回路５６まで半径方向に延在している。前縁冷却回路３０は、第１の翼幅方向構造体２８ａと第２の翼幅方向構造体２８ｂとの間に画定された主前縁冷却通路３０ａを有している。第２の翼幅方向構造体２８ｂは、第２の壁とインピンジメント通路３０ｂとを有しており、インピンジメント通路３０ｂは、主前縁冷却通路３０ａの上流に位置しており、前縁２２を有する外壁１６の一部と第２の翼幅方向構造体２８ｂとの間に画定されている。第２の翼幅方向構造体２８ｂを画定している第２の壁は、半径方向で間を空けて位置している複数のインピンジメント孔３８を含んでおり、これらインピンジメント孔３８により、主前縁冷却通路３０ａとインピンジメント通路３０ｂとの間で流体連通が可能である。

主前縁冷却通路３０ａは、前縁プラットフォーム通路３６と連通しており、前縁プラットフォーム通路３６からの冷却空気流Ｃ_Ｆを受け取る。前縁プラットフォーム通路３６は、根元部１４とプラットフォームアッセンブリ１５とを貫通して延在している。冷却空気流Ｃ_Ｆは、エンジンの圧縮機から抽気された冷却空気として供給されてよく、従来の形式でロータディスクへと通されてよい。冷却空気流Ｃ_Ｆは、主前縁冷却通路３０ａへと進入し、インピンジメント孔３８内へ流れ込み、前縁２２の内面にインピンジメント冷却を提供する。図３に示すように、第２の翼幅方向構造体２８ｂは上流方向で僅かに傾いていてよく、これにより、第１及び第２の翼幅方向構造体２８ａ，２８ｂは、前縁冷却回路３０の半径方向外側端部で接続され、全ての冷却空気流Ｃ_Ｆがインピンジメント通路３０ｂに入るようにされる。より詳しく後述するように、前縁冷却回路３０を画定する外壁１６の一部は連続的であって、通常はブレード１２の前縁２２にフィルム冷却を提供するために使用されるフィルム冷却孔を含んでいない（図１参照）。

引き続き図２及び図３を参照すると、後縁冷却回路３４は、後縁２４に隣接して延在し、部分的に外壁１６と、第３の壁を有する第３の翼幅方向構造体２８ｃとによって画定されており、正圧面壁１８と負圧面壁２０との間、かつ後縁２４と第３の翼幅方向構造体２８ｃとの間に位置している。後縁冷却回路３４は、プラットフォームアッセンブリ１５と、正圧面壁１８と負圧面壁２０との間に延在するキャビティフロア５４との間で半径方向に延在している。図３に示すように、後縁冷却回路３４は主後縁冷却通路４２を有している。後縁冷却回路３４はさらに、第１のリブ４３及び第２のリブ４５によって画定されており、部分的にキャビティフロア５４によって画定されている。各リブ４３，４５はそれぞれ、インピンジメント孔４３ａ又は調量孔４５ａを含んでいる。リブ４３とリブ４５との間には、第１及び第２の後縁インピンジメントキャビティ４７，４９が位置している。これらインピンジメントキャビティ４７，４９は主冷却通路４２とインピンジメント孔４３ａ，４５ａとに連通している。後縁放出スロット４６は、後縁２４を画定する外壁１６の一部に位置している。第１及び第２のリブ４３，４５とその対応するインピンジメント孔４３ａ，４５ａとは、後縁冷却回路３４内でインピンジメント冷却を提供する。主後縁冷却通路４２は、後縁プラットフォーム通路４０と連通し、後縁プラットフォーム通路４０からの冷却空気流Ｃ_Ｆを受け取る。後縁プラットフォーム通路４０は、根元部１４とプラットフォームアッセンブリ１５とを貫通して延在している。第２の後縁インピンジメントキャビティ４９を通る冷却空気流Ｃ_Ｆは、複数の後縁放出スロット４６を通って放出され、後縁２４にフィルム冷却を提供する。

中間区分冷却回路３２は、外壁１６と、第１及び第３の翼幅方向構造体２８ａ，２８ｃと、第４及び第５の翼幅方向構造体２８ｄ，２８ｅとによって画定されている。第４及び第５の翼幅方向構造体２８ｄ，２８ｅは、第４及び第５の壁を有しており、正圧面壁１８と負圧面壁２０との間かつ第１及び第３の翼幅方向構造体２８ａ，２８ｃとの間に位置している。中間区分冷却回路３２は、プラットフォームアッセンブリ１５と軸方向先端冷却回路５６との間で半径方向に延在し、部分的にキャビティフロア５４によって画定されている。中間区分冷却回路３２は、第１の通路３２ａと、中間通路３２ｂと、最終通路３２ｃとを含む前進流蛇行状冷却回路である。第３の翼幅方向構造体２８ｃと第４の翼幅方向構造体２８ｄとの間に画定された第１の通路３２ａは、中間区分プラットフォーム通路４８と連通し、中間区分プラットフォーム通路４８からの冷却空気流Ｃ_Ｆを受け取る。中間区分プラットフォーム通路４８は、根元部１４とプラットフォームアッセンブリ１５とを貫通して延在している。第１の通路３２ａは、半径方向外側端部で、外側軸方向通路５０を介して中間通路３２ｂに接続されている。中間通路３２ｂは、第４の翼幅方向構造体２８ｄと第５の翼幅方向構造体２８ｅとの間に画定されていて、半径方向内側端部で、内側軸方向通路５２を介して最終通路３２ｃに接続されている。最終通路３２ｃは、第５の翼幅方向構造体２８ｅと第１の翼幅方向構造体２８ａの間に画定されている。

軸方向先端冷却回路５６は、外壁１６によって正圧面壁１８と負圧面壁２０との間に画定されており、前縁２２から後縁２４へと連続的に延在している。軸方向先端冷却回路５６は、半径方向外側端部で先端キャップ５８によって画定されていて、半径方向内側端部で前縁冷却回路３０と、中間区分冷却回路３２と、キャビティフロア５４とによって画定されている。インピンジメント通路３０ｂの半径方向外側端部は前縁出口６２を有しており、この前縁出口６２は、軸方向先端冷却回路５６の前方端に連通している。中間区分冷却回路３２の第１の通路３２ａと中間通路３２ｂの半径方向外側端部は、キャビティフロア５４によって画定されており、最終通路３２ｃの半径方向外側端部は、中間区分出口６４を有しており、中間部分出口６４は、軸方向先端冷却回路５６の前方端に連通している。中間区分出口６４は、前縁出口６２に対して下流に位置している。

図３に示すように、冷却空気流Ｃ_Ｆは、前縁プラットフォーム通路３６、中間区分プラットフォーム通路４８、後縁プラットフォーム通路４０に入り、前縁冷却回路３０、中間区分冷却回路３２、後縁冷却回路３４内へそれぞれ流れる。後縁冷却空気流ＴＥ_Ｆは、主後縁冷却通路４２へ進入し、インピンジメント孔４３ａ，４５ａとリブ４３，４５の上方及び下方の開口とを介して第１及び第２の後縁インピンジメントキャビティ４７，４９内へと流れてから、後縁放出スロット４６を通して放出されて、後縁２４に冷却を提供する。前縁冷却空気流ＬＥ_Ｆは、主前縁冷却通路３０ａへと進入し、インピンジメント孔３８を通ってインピンジメント通路３０ｂ内へと流れる。次いで、実質的に全ての前縁冷却空気流ＬＥ_Ｆが、前縁出口６２を介して軸方向先端冷却回路５６へと進入する。中間区分冷却空気流ＭＳ_Ｆは、第１の通路３２ａへと進入し、外側軸方向通路５０を通って中間通路３２ｂ内へと流れる。次いで、実質的に全ての中間区分冷却空気流ＭＳ_Ｆが、内側軸方向通路５２を介して最終通路３２ｃ内へと流れ込んだ後、中間区分出口６４を通って軸方向先端冷却回路５６へと進入する。インピンジメント通路３０ｂから出た前縁冷却空気流ＬＥ_Ｆと中間区分冷却回路３２の最終通路３２ｃから出た中間区分冷却空気流ＭＳ_Ｆとは、軸方向先端冷却回路５６で混合され、軸方向先端冷却空気流Ａ_Ｆを形成する。軸方向先端冷却空気流Ａ_Ｆは、翼弦方向で、前縁２２から後縁２４へと流れ、後縁２４で軸方向先端放出スロット６６を介してブレード１２から放出される。

図３に示すように、キャビティフロア５４はさらに、１つ以上の開口６８を有していてよく、この開口は、中間区分冷却回路３２及び／又は後縁冷却回路３４を軸方向先端冷却回路５６へと接続する。例えば図示したように、中間区分冷却回路３２の第１の通路３２ａの半径方向外側端部近くのキャビティフロア５４の部分は、第１の通路３２ａを軸方向先端冷却回路５６に接続する開口６８を有している。さらに、主後縁冷却通路４２の半径方向外側端部近くのキャビティフロア５４の部分は、主後縁冷却通路４２を軸方向先端冷却回路５６に接続する開口６８を有している。

図１及び図４を参照すると、タービンブレード１２の半径方向外側ブレード先端２６はさらに、外側スクィーラ先端キャビティ７２を画定するように、先端キャップ５８から半径方向外側に向かって延在し、タービンブレード１２のほぼ全周にわたって延在するスクィーラ先端レール７０を有していてよい。軸方向先端冷却回路５６からスクィーラ先端キャビティ７２内へと先端キャップ５８を貫通して延在する複数の先端冷却孔７４が設けられていてよい。軸方向先端冷却空気流Ａ_Ｆの一部は、先端冷却孔７４を通って流れてよく、先端キャップ５８とスクィーラ先端レール７０とに付加的な対流冷却を供給する。スクィーラ先端レール７０は、軸方向先端冷却回路５６からスクィーラ先端レール７０を貫通して延在する複数のスクィーラ先端孔７６を有していてよい。スクィーラ先端孔７６は、図示した実施形態では、前縁２２及び／又は正圧面壁１８に隣接するスクィーラ先端レール７０の部分を貫通して延在してよい。軸方向先端冷却空気流Ａ_Ｆの一部は、スクィーラ先端レール７０及び／又は正圧面壁１８に冷却を供給するためにスクィーラ先端孔７６を通って流れてよい。本発明のいくつかの態様では、図１及び図４に示すように、スクィーラ先端孔７６を含むスクィーラ先端レール７０の部分は、付加的に、スクィーラ先端レール７０の外面に対して鋭角を成して位置する面取りされた面７１を有していてよい。

図３に示した実施形態では、図４でより詳しく示したように、中間区分出口６４はさらに、概して前縁冷却回路３０と中間区分冷却回路３２とに隣接して位置しており、軸方向先端冷却回路５６内で翼弦方向に延在する隔壁６０によって画定されてよい。隔壁６０は例えば、第１及び第２の翼幅方向構造体２８ａ，２８ｂに連結されていてよく、かつ／又は第１及び第２の翼幅方向構造体２８ａ，２８ｂの延長部を有していてよい。隔壁６０は、キャビティフロア５４に対して半径方向外側に向かって間を空けて位置しており、先端キャップ５８に対して半径方向内側に間を空けて位置している。隔壁６０は、隔壁下方面６１が、中間区分冷却回路３２の最終通路３２ｃを出る中間区分冷却空気流ＭＳ_Ｆに対してほぼ垂直又は横方向であるように、翼弦方向で延在している。

隔壁６０は、前縁冷却空気流ＬＥ_Ｆと、それより高温の中間区分冷却空気流ＭＳ_Ｆとの間の相互作用による流れの閉塞を阻止している。隔壁６０は、前縁冷却空気流ＬＥ_Ｆが隔壁６０の上方を流れるように、前縁出口６２に対して下流に位置している。先端キャップ５８と共に、隔壁６０は、前縁冷却空気流ＬＥ_Ｆを、軸方向先端冷却回路５６を通って後縁２４に向かうように軸方向に方向付ける。隔壁６０は、中間区分出口６４に対して上流に位置している。中間区分冷却空気流ＭＳ_Ｆは、軸方向先端冷却回路５６を通って後縁２４に向かうように、隔壁下方面６１によって軸方向で再び方向付けられる。前縁冷却空気流ＬＥ_Ｆと中間区分冷却空気流ＭＳ_Ｆとは、ほぼ平行に軸方向先端冷却回路５６の少なくとも一部を通って前縁２２から後縁２４へと流れて軸方向先端冷却空気流Ａ_Ｆを形成し、この軸方向先端冷却空気流Ａ_Ｆは、半径方向外側ブレード先端２６とスクィーラ先端レール７０とに付加的な冷却を提供する。本発明のいくつかの態様では、隔壁６０は、軸方向先端冷却回路５６の翼弦方向長さの４０％まで、前縁冷却空気流ＬＥ_Ｆの分離した軸方向空気流を延長してよい。隔壁６０が、軸方向先端冷却回路５６の翼弦方向長さの約１５％〜約２５％の長さを有していてよいことが考えられる。

多くの従来のタービンブレードとは異なり、本発明によるタービンブレードは、タービンブレードの前縁における、又はタービンブレードの本体に沿ったシャワーヘッド状の配置（図１参照）における、フィルム冷却孔を含んでいない。特に原油のような重油を燃焼するタービンエンジンでは、運転中に、堆積物がこれらのフィルム冷却孔を詰まらせる恐れがある。十分な冷却の欠如により、前縁及び先端の焼損を含む、ブレードの深刻な損傷が生じる恐れがある。本明細書に開示されたような内部冷却が改良されたタービンブレードにより、フィルム冷却を伴わないか又は殆ど伴わずに、利用可能な冷却空気流をより効率的に利用することができる。

本発明の特定の実施の形態について例示及び説明してきたが、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく様々なその他の変更及び改変をなし得ることは当業者に明らかであろう。従って、本発明の範囲内にある全てのこのような変更及び改変を、添付の請求項に網羅することが意図されている。

Claims

タービンブレードであって、該タービンブレードは、
前縁と、後縁と、正圧面壁と、負圧面壁とを画定する外壁と、先端を有する半径方向外側端部と、根元部に連結された半径方向内側端部とを有しており、前記前縁は、該前縁を貫通して延在するフィルム冷却孔を有しておらず、
前記外壁と共に前縁冷却回路を画定する構造体を有しており、前記前縁冷却回路は、前記前縁に隣接し、前記根元部から前記先端に向かって半径方向で延在し、かつ少なくとも１つの前縁冷却通路を有しており、
前記外壁と共に後縁冷却回路を画定する構造体を有しており、前記後縁冷却回路は、前記後縁に隣接し、前記根元部から前記先端に向かって半径方向で延在しており、
前記外壁と共に中間区分冷却回路を画定する構造体を有しており、前記中間区分冷却回路は、前記前縁冷却回路と前記後縁冷却回路との間に位置し、第１の通路と、中間通路と、最終通路とを含む前進流蛇行状冷却回路を画定し、かつ半径方向で前記根元部から前記先端に向かって延在しており、
前記外壁はさらに、軸方向先端冷却回路を画定しており、該軸方向先端冷却回路は、先端に隣接し、翼弦方向でほぼ連続的に延在しており、前記翼弦方向は、前記前縁から前記後縁へと延在しており、
前記前縁冷却回路と、前記中間区分冷却回路と、前記後縁冷却回路とはそれぞれ、前記根元部における冷却空気供給部から冷却空気を受け取り、前記前縁冷却回路と前記中間区分冷却回路はそれぞれ半径方向外側部分でさらに、少なくとも１つの出口を有しており、該出口は前記軸方向先端冷却回路に流体連通しており、これにより、前記前縁冷却回路から出る実質的に全ての前縁冷却空気流と、前記中間区分冷却回路から出る実質的に全ての中間区分冷却空気流とが、前記軸方向先端冷却回路へと方向付けられる、
タービンブレード。
前記前縁冷却回路と前記中間区分冷却回路とは、前記軸方向先端冷却回路の前方端に連通しており、これにより、前記前縁冷却回路から出る前記前縁冷却空気流と、前記中間区分冷却回路から出る前記中間区分冷却空気流とが、前記軸方向先端冷却回路内において該軸方向先端冷却回路の翼弦長さの少なくとも一部にわたって軸方向で実質的に平行である、請求項１記載のタービンブレード。
前記前進流蛇行状冷却回路の前記中間通路及び前記最終通路のうちの少なくとも１つは、前記軸方向先端冷却回路に流体連通している、請求項１記載のタービンブレード。
前記前縁冷却回路を画定する前記構造体は第１の壁と第２の壁とを含み、該第１の壁と第２の壁とは、前記外壁と共に、主前縁冷却通路とインピンジメント通路とを画定しており、前記第２の壁は、半径方向で互いに間を空けて位置する複数のインピンジメント冷却孔を有しており、これにより前記前縁冷却通路と前記インピンジメント通路とが流体連通される、請求項１記載のタービンブレード。
前記先端は複数の先端冷却孔を有しており、前記外壁はさらに、前記先端から半径方向外側に向かって延在するスクィーラ先端レールを有しており、該スクィーラ先端レールは複数のスクィーラ先端孔を画定している、請求項１記載のタービンブレード。
タービンブレードであって、該タービンブレードは、
前縁と、後縁と、正圧面壁と、負圧面壁とを画定する外壁と、先端を有する半径方向外側端部と、根元部に連結された半径方向内側端部とを有しており、前記前縁は、該前縁を貫通して延在するフィルム冷却孔を有しておらず、
前記外壁は、軸方向先端冷却回路を画定しており、該軸方向先端冷却回路は、先端に隣接し、翼弦方向で連続的に延在しており、前記翼弦方向は、前記前縁から前記後縁へと延在しており、
前記外壁と共に、前縁冷却空気流を供給するための前縁冷却回路を画定する構造体を有しており、前記前縁冷却回路は前記前縁に隣接し、半径方向で前記根元部から前記先端に向かって延在しており、前記前縁冷却回路はさらに第１の出口を有しており、該出口は前記軸方向先端冷却回路に流体連通しており、これにより、前記前縁冷却回路から出る実質的に全ての前縁冷却空気流は、前記軸方向先端冷却回路へと方向付けられ、
前記外壁と共に、後縁冷却回路を画定する構造体を有しており、前記後縁冷却回路は、前記後縁に隣接し、前記根元部から前記先端に向かって半径方向で延在しており、
前記外壁と共に、中間区分冷却空気流を供給するための中間区分冷却回路を画定する構造体を有しており、前記中間区分冷却回路は前記前縁冷却回路と前記後縁冷却回路との間に位置しており、前記中間区分冷却回路は第２の出口を有しており、該出口は前記軸方向先端冷却回路に流体連通しており、これにより、前記中間区分冷却回路から出る実質的に全ての中間区分冷却空気流は、前記軸方向先端冷却回路へと方向付けられ、
前記中間区分冷却回路と前記前縁冷却回路とにほぼ隣接する隔壁を有しており、該隔壁は前記翼弦方向に延在しており、前記隔壁は、隔壁下方面が、前記中間区分冷却回路から出る前記中間区分冷却空気流に対して実質的に横方向であるように配置されている、
タービンブレード。
前記隔壁は、前記前縁冷却回路から出る前記前縁冷却空気流と、前記中間区分冷却回路から出る前記中間区分冷却空気流とが、前記軸方向先端冷却回路内において該軸方向先端冷却回路の翼弦長さの少なくとも一部にわたって軸方向で実質的に平行であるように配置されている、請求項６記載のタービンブレード。
前記前縁冷却空気流と前記中間区分冷却空気流とは、前記軸方向先端冷却回路の前記翼弦長さの約４０％にわたって実質的に平行である、請求項７記載のタービンブレード。
前記中間区分冷却回路はさらに、第１の通路と、中間通路と、最終通路とを有しており、該最終通路は、前記軸方向先端冷却回路に流体連通する第２の出口を有している、請求項６記載のタービンブレード。
前記中間区分冷却回路はさらに、前記軸方向先端冷却回路に流体連通する少なくとも１つの付加的な出口を有している、請求項９記載のタービンブレード。
前記先端は複数の先端冷却孔を有しており、前記外壁はさらに、前記先端から半径方向外側に向かって延在するスクィーラ先端レールを有しており、該スクィーラ先端レールは複数のスクィーラ先端孔を画定している、請求項６記載のタービンブレード。
ガスタービンエンジンで使用されるタービンブレードを冷却する方法であって、前記タービンブレードは、前縁と、複数の後縁出口通路を備えた後縁と、正圧面壁と、負圧面壁とを画定する外壁と、先端を有する半径方向外側端部と、根元部に連結された半径方向内側端部とを有しており、前記前縁は、該前縁を貫通するフィルム冷却孔を有しておらず、当該方法は、
前記根元部を介して前記タービンブレードに冷却空気流を供給するステップと、
前記タービンブレードの前記前縁を冷却するために、前記冷却空気流の一部に前縁冷却回路を通過させるステップと、
前記冷却空気流の一部に、前記タービンブレードの前記前縁と前記後縁との間の中間区分冷却回路を通過させるステップと、
前記後縁を冷却し、前記外壁における前記複数の後縁出口通路から出るために、前記冷却空気流の一部に後縁冷却回路を通過させるステップと、
前記前縁冷却回路を出る実質的に全ての前縁冷却空気流と、前記中間区分冷却回路を出る実質的に全ての中間区分冷却空気流とを軸方向先端冷却回路へと方向付けて、軸方向先端冷却空気流を発生させるステップであって、前記軸方向先端冷却回路は、前記先端に隣接し翼弦方向で連続的に延在しており、前記翼弦方向は、前記前縁から前記後縁へと延在しているステップと、
前記先端に冷却を提供するために、前記軸方向先端冷却空気流に翼弦方向で前記軸方向先端冷却回路内を軸方向で通過させるステップと、
を含む方法。
前記タービンブレードはさらに、前記中間区分冷却回路と前記前縁冷却回路とにほぼ隣接する隔壁を有しており、該隔壁は前記翼弦方向に延在しており、前記隔壁は、隔壁下方面が、前記中間区分冷却回路から出る前記中間区分冷却空気流に対して実質的に横方向であるように配置されている、請求項１２記載の方法。
前記前縁冷却空気流と前記中間区分冷却空気流とを、前記軸方向先端冷却回路内において方向付けるステップをさらに含み、これにより、前記前縁冷却空気流と前記中間区分冷却空気流とは、前記軸方向先端冷却回路の翼弦長さの少なくとも一部にわたって、前記軸方向先端冷却回路内で軸方向で実質的に平行となる、請求項１３記載の方法。
前記前縁冷却回路はさらに、主前縁冷却通路とインピンジメント通路とを画定する壁を有しており、前記壁は、半径方向で互いに間を空けて位置する複数のインピンジメント冷却孔を有しており、これにより、前記前縁冷却通路と前記インピンジメント通路とが流体連通される、請求項１２記載の方法。
前記冷却空気流の一部に前縁冷却回路を通過させる前記ステップは、前記前縁のインピンジメント冷却作用を提供するために、前記冷却空気流の一部に、半径方向で互いに間を空けて位置する前記複数のインピンジメント冷却孔を流過させるステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
前記先端は複数の先端冷却孔を有しており、前記外壁はさらに、前記先端から半径方向外側に向かって延在するスクィーラ先端レールを有しており、該スクィーラ先端レールは複数のスクィーラ先端孔を画定している、請求項１２記載の方法。
前記先端及び前記スクィーラ先端レールの対流冷却作用を提供するために、前記軸方向先端冷却空気流の一部に、前記複数の先端冷却孔とスクィーラ先端孔とを流過させるステップをさらに含む、請求項１７記載の方法。